人類和其他動物如何從 A 點到達 B 點？這個看似簡單的問題沒有簡單的答案。但是，經過幾十年的廣泛研究，大腦如何編碼空間並使我們能夠在其中導航的圖景開始浮現。早期，神經科學家發現哺乳動物的大腦至少包含三種不同的細胞型別，它們協同工作來編碼動物位置和運動的神經表徵。
但這一圖景現在變得更加複雜。新的研究表明，存在另外兩種參與空間導航的腦細胞型別，並揭示了先前未被認識到的哺乳動物在世界中移動的神經機制。
早期的研究，在自由移動的齧齒動物中進行，揭示了一種稱為位置細胞的神經元，當動物處於特定位置時會放電。另一種型別——網格細胞——在動物移動時會週期性地啟用。最後，當小鼠或大鼠朝特定方向移動時，頭部方向細胞會放電。這些細胞位於海馬體這個深層大腦結構及其周圍，似乎透過跟蹤其運動的距離和方向來編碼動物在環境中的當前位置。
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這個過程對於簡單地四處移動來說很好，但它並沒有確切地解釋旅行者如何到達特定目的地。大腦如何編碼旅程的終點的問題仍然沒有答案。為了調查這個問題，以色列魏茨曼科學研究所的 Ayelet Sarel 和她的同事訓練了三隻埃及果蝠沿著複雜的路徑飛行，然後降落在可以吃東西和休息的特定位置。研究人員使用無線電極陣列記錄了總共 309 個海馬神經元的活動。大約三分之一的神經元表現出位置細胞的特徵，它們僅當蝙蝠位於大型飛行室的特定區域時才會放電。但研究人員還發現了 58 個細胞，它們僅當蝙蝠直接飛向著陸點時才會放電。
“我們發現了一種全新的神經元，我們稱之為‘目標方向細胞’，”該研究的資深作者 Nachum Ulanovsky 說，該研究本週發表在《科學》雜誌上。他補充說，這些發現透過解釋大腦如何編碼導航目標，“填補了我們對導航神經基礎理解的關鍵空白”。
事實證明，當著陸點被窗簾遮擋，無法讓蝙蝠看到時，新的細胞會繼續放電。“蝙蝠知道目標在哪裡，但無法透過回聲定位或看到窗簾後面的目標，但目標方向神經元仍然代表著隱藏的目標。這意味著蝙蝠海馬體中目標的表徵不僅僅是基於感官的，而是基於記憶的。”
倫敦大學學院研究空間導航細胞基礎的神經科學家 Hugo Spiers 表示，這些發現“非常重要”，但他不認為目標方向神經元是一種新的細胞型別。“對我來說，結果表明位置細胞能夠進行比以前認為的更多樣化的資訊處理，”他說。
儘管如此，新的發現與 Spiers 和他的同事在 2014 年發表的一項腦掃描研究的結果相呼應。研究表明，人類海馬體包含一個靈活的引導系統，該系統既可以編碼到目標的直線距離（類似於歸巢訊號），也可以編碼到達目標的實際路線。“這相當出乎意料，”Spiers 說。“但這篇論文現在在細胞水平上驗證了它。”這些發現還可以解釋為什麼海馬體受損的大鼠難以記住水迷宮中水下平臺的位置。 在另一系列實驗中，Sarel 和她的同事確定了海馬神經元的另一個亞群，它們似乎會計算和編碼到目標的距離。這些“目標距離”細胞僅在蝙蝠進入著陸點 2 米範圍內時才變得高度活躍。
在另一項剛剛發表在《自然神經科學》上的研究中，加州大學聖地亞哥分校的 Jacob Olson 和他的同事記錄了大鼠海馬體中的神經元活動，當時這些動物沿著類似於城市網格的六條相互連線的路線奔跑，或者在開闊空間中覓食。
科學家發現，他們記錄的 542 個細胞中，有 47 個細胞強烈地針對特定的行進軸進行調諧，僅當大鼠沿單個軸的任一方向移動時才會放電。例如，當大鼠從北向南移動時，以及從南向北移動時，其中一些神經元會被選擇性啟用，但當它們沿著東西軸的任一方向執行時則不會啟用。其他神經元會被對沿其他行進線的運動做出反應而啟用，但同樣，僅在相隔 180 度的方向上啟用。
Olson 和他的同事認為，這些“軸調諧”神經元與頭部方向細胞不同，因為它們僅當大鼠沿著特定路徑移動時才會放電，並且當大鼠在開闊空間周圍覓食時會保持靜默。相比之下，頭部方向細胞會在大鼠在開闊空間中朝特定方向移動時放電。但另一篇最近的論文提供的證據表明，頭部方向細胞可以編碼相反的方向，因此軸調諧神經元實際上可能畢竟是頭部方向細胞，儘管它們正在執行以前未知的功能。
所有這些都使得“大腦的 GPS”比以前認為的更加複雜。Olson 的新工作表明，海馬體透過編碼行進軸來表示方向，並且這些心理表徵可以使我們儘管必須應對路障等障礙，也能保持在正確的軌道上。蝙蝠研究進一步表明，海馬體不僅透過跟蹤距離和方向移動來編碼位置，還編碼到達目的地的方向和距離的表徵。因此，大腦的導航系統將具有“歸巢訊號”，並且似乎也具有自己的尋目標神經元。